[논문 리뷰] Eternal Inflation, past and future

Anthony Aguirre|ArXiv.org|2007. 12. 04.

Cosmology and Gravitation Theories참고 문헌 91인용 수 29

한 줄 요약

이 논문은 영속적 인플레이션—시간이 앞으로도 뒤로도 끝없이 지속되는 인플레이션—이 우주의 초기 특이점이 필요 없도록 하여, 우주가 과거로 무한히 연장되며 시간 대칭일 수 있음을 주장한다. 가짜 진공에 의해 driving 되는 인플레이션 모델과 특이점 정리 분석을 통해, 저자는 표준 특이점 정리가 인플레이션 시공간에 적용되지 않음을 주장하며, 이러한 프레임워크 안에서 고전적 시간이 시작되지 않을 수 있음을 시사한다.

ABSTRACT

Cosmological inflation, if it occurred, radically alters the picture of the `big bang', which would merely point to reheating at the end of inflation. Moreover, this reheating may be only local, so that inflation continues elsewhere and forever, continually spawning big-bang-like regions. This chapter reviews this idea of `eternal inflation', then focuses on what this may mean for the ultimate beginning of the universe. In particular, I will argue that given eternal inflation, the universe may be free of a cosmological initial singularity, might be eternal (and eternally inflating) to the past, and might obey an interesting sort of cosmological time-symmetry.

연구 동기 및 목표

• 영속적 인플레이션의 존재가 과거로 무한히 연장된 우주를 가능하게 하고, 천체물리학적 초기 특이점이 필요 없음을 조사하는 것.
• 표준 특이점 정리(예: Borde-Guth-Vilenkin)가 인플레이션 시공간에 적용 가능한지 재평가하는 것.
• 영속적 인플레이션에서 시간 대칭성과 일관된 우주적 감시 원칙이 어떻게 나타날 수 있는지 평가하는 것.
• 영속적 인플레이션의 화살표의 시간과 초기 조건의 성격에 대한 함의를 검토하는 것.
• 측도, 히알로그래피, 진공 전이 메커니즘을 포함한 영속적 인플레이션의 기초에서 열린 질문들을 규명하는 것.

제안 방법

• 메타안정한 가짜 진공(φF)과 진짜 진공(φT)을 가진 이중함수형 잠재에너지 함수를 사용하여 가짜 진공에 의해 driving 되는 인플레이션을 분석한다.
• 스케일 인자 a(t) ∝ exp(HFt)를 가진 Friedmann-Robertson-Walker (FRW) 천체물리학 프레임워크를 사용하여 인플레이션 팽창을 모델링한다.
• 과거로 무한히 연장된 인플레이션의 맥락에서 Borde-Guth-Vilenkin (BGV) 특이점 정리의 타당성을 평가하며, 그 가정이 과거로 무한히 연장된 시공간을 배제하지 않는다고 주장한다.
• 가짜 진공에서의 양자 터널링을 통해 버블 생성 메커니즘을 고려하며, 국소적 빅뱅 유사 영역인 핫존의 형성을 유도한다.
• 일관된 우주적 감시 원칙(Consistent Cosmic Censorship, CCC)과 영속적 인플레이션 시공간 내에서 화살표의 시간 행동을 검토한다.
• 특이점 정리에서의 역할을 평가하기 위해 강한, 약한, 영역, 지배적 에너지 조건을 검토하며, 이들이 인플레이션 모델에 어떻게 적용되는지 분석한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 영속적 인플레이션은 과거로 무한히 연장될 수 있으며, 만약 그렇다면 천체물리학적 초기 특이점이 존재하지 않음을 의미하는가?
• RQ2 특히 BGV 정리와 같은 표준 특이점 정리가 인플레이션 시공간에서 과거로 무한히 연장된 인플레이션을 올바르게 배제하는가?
• RQ3 과거로 무한히 연장되고 영속적으로 팽창하는 우주에서 화살표의 시간은 어떻게 행동하는가? 그리고 한 개의 세계선을 따라 뒤집힐 수 있는가?
• RQ4 낮은 진공 에너지에서 높은 진공 에너지로의 전이를 가능하게 하는 메커니즘은 무엇이며, 이는 영속적 인플레이션의 구조에 어떻게 영향을 미치는가?
• RQ5 영속적 인플레이션 시공간에 대해 물리적으로 잘 정의된 측도가 존재하는가? 이는 역설이나 잘못된 예측을 피할 수 있는가?

주요 결과

• BGV 정리가 과거로 무한히 팽창하는 시공간에 적용되지 않기 때문에, 영속적 인플레이션은 과거로 무한히 연장될 수 있으며, 이는 반드시 초기 특이점이 존재해야 한다는 개념에 도전한다.
• 표준 특이점 정리는 인플레이션 시공간에서 위반되는 에너지 조건, 특히 영역 에너지 조건에 의존하므로, 과거로 무한히 연장된 인플레이션을 배제하지 않는다.
• 영속적 인플레이션에서 '빅뱅'은 시작이 아니라 국소 영역에서의 인플레이션 종료이므로, 천체물리학적 초기 특이점이 존재하지 않을 수 있다.
• 과거로 무한히 연장되고 영속적으로 팽창하는 우주에서 일부 세계선을 따라 화살표의 시간이 뒤집힐 수 있으며, 특히 화살표의 시간이 잘 정의되지 않거나 유일하지 않은 영역에서 그러한 현상이 발생할 수 있다.
• 무한한 자유도와 계속되는 새로운 인플레이션 영역 및 핫존의 생성 덕분에, 우주는 시간의 양방향으로 영속적으로 흥미로울 수 있다.
• 일관된 우주적 감시 원칙(Consistent Cosmic Censorship, CCC)은 시공간 특이점과 비자명한 시간 대칭성을 허용할 수 있으며, 이는 영속적 인플레이션에서 균형 상태가 항상 국소적으로나마 달성되지 않음을 시사한다.